Устройство гелий-неонового лазера

Типичная конструкция гелий-неонового лазера показана на рис.6.

Высоковольтный (1–1,5 кВ) электрический разряд поддерживается в наполненной смесью гелия и неона трубке Т, которая герметично закрыта выходными окнами Р₁ и Р₂ из прозрачного для генерируемого излучения материала. Окна наклонены к оси трубки под углом Брюстера, при котором электромагнитная волна, поляризованная в плоскости падения (совпадающей с плоскостью рисунка), не испытывает потерь на отражение от окон (при угле Брюстера поляризованные в плоскости падения лучи полностью без отражения проходят через границу раздела двух сред, в данном случае через скошенные торцы трубки). Зеркала S₁ и S₂ образуют оптический резонатор. «Глухое» зеркало S₁ имеет коэффициент отражения, близкий к единице ( 0,998) , а зеркало S₂ является частично прозрачным (с пропусканием 1–2 %), и через него происходит вывод лазерного излучения. Такое отражение недостижимо с металлическими зеркалами, поэтому используются специальные зеркала, в которых на стеклянную подложку нанесены (обычно напылением) чередующиеся слои диэлектриков с сильно различающимися показателями преломления, например, SiО₂ с 1,45 и ТiО₂ с 2,5. Толщины слоев подобраны таким образом, чтобы все волны, отраженные от границ раздела слоев, на выходе складывались в фазе, тогда при количестве слоев 10 удается достичь отражения 0,998–0,999.

Обычно используется сферический или полусферический резонатор, предъявляющий гораздо более мягкие требования к точности юстировки зеркал и обеспечивающий повышенную механическую стабильность по сравнению с плоским резонатором.

Длина газоразрядной трубки гелий-неонового лазера у разных его конструкций может быть от 15–20 см до 1–2 м. От длины трубки зависит коэффициент усиления активного элемента, а следовательно, и мощность генерируемого излучения, а также направленность лазерного луча.

До сих пор при анализе условий усиления света в ОКГ мы не учитывали, что индуцированное излучение в генера­торе является когерентным первоначальному, «затравоч­ному» излучению. Волновые свойства света приводят к не­которым дополнительным условиям, при которых осуществляется режим генерации. На волновом языке процесс усиления света в ОКГ означает непрерывное и значитель­ное возрастание амплитуды световой волны. Но для этого необходимо, чтобы волна, возвратившаяся в некоторую точ­ку активной среды после отражения от зеркал, имела бы в этой точке фазу, совпадающую с фазой первичной волны при любом числе отражений от зеркал. Это накладывает определенное условие на зависимость между длиной волны λ и длиной L активной среды. Длина пути, который про­ходит волна между двумя отражениями, должна составлять целое число длин волн:

, или , где (15)

Тогда при сложении амплитуд первичной и всех вторичных волн будет резко возрастать амплитуда результирующей волны. Если выполнено условие (15), то волны, которые при каждом отражении выходят из генератора через зер­кало 3 (рис. 6), когерентны между собой. Разность фаз двух последовательно вышедших волн составляет и определяется разностью оптического хода 2L. Пучки, которые вырываются из ОКГ, являются результатом интерференции многих когерентных волн, имеющих разность фаз, кратную 2π. Это обеспечивает наи­большую результирующую амплитуду и наибольшую ин­тенсивность света, полученного в лазере. При интерференции многих когерентных волн интерференционные максимумы интенсивности получаются очень узкими, резкими. Если условие (15) будет нарушено, то волны перестанут быть когерентными и их интерференция окажется невозможной.

Уравнение (15) является фазовым условием, вы­полнение которого так же необходимо для процесса генера­ции света в ОКГ, как и условие компенсации потерь (14). Из уравнения (15) следует, что если рассматривать пространство между двумя зеркалами в ОКГ как некоторый зеркальный резонатор, то на длине L, резонатора должно укладываться некоторое целое число п стоячих волн. Таким образом, уравнение (15) есть одновре­менно условие резонанса между электромагнитной волной и зеркальным резонатором.

Указанное условие выполняется не только для осевого пучка, но и для ряда приосевых пучков, которые дают в плоскости, перпендикулярной оси пучка, сложное распределение амплитуд, зависящее от направления распространения и соответственно от дифракционных потерь. Такие колебания получили название поперечных мод резонатора (мода – это тип колебаний).

Условия резонанса (фазовые условия) для каждого выбранного направления (для каждой моды) могут выполняться для ряда частот, удовлетворяющих следующему условию:

, (16)

где n – число полуволн, укладывающихся на пути L.

Каждому значению п соответствует определенная частота v_п, генерируемая в ОКГ.

При заданном поперечном распределении поля, то есть внутри одной поперечной моды, может существовать ряд колебаний, которые получили название продольных мод. В вакууме отличие частот между соседними продольными модами:

. (17)

Если пространство между зеркалами заполнено средой, то:

, (18)

где – групповая скорость в данной среде.

В результате спектр излучения лазера, как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т.е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен. Таким образом, оптический резонатор накладывает ограничения на спектральный состав излучения.

В любом оптическом резонаторе, в особенности состоящем из плоских зеркал или плоского и сферического, поперечные моды по мере отклонения от оси резонатора испытывают все возрастающие потери за счет дифракции. Эти потери тем больше, чем шире пучок. Вследствие этого условия генерации возникают только для приосевых мод, что обеспечивает высокую направленность лазерного луча.

Путем настройки и с помощью специальных диафрагм можно выделить одну спектральную компоненту, то есть получить генерацию на одной основной моде – одномодовый режим. В ряде случаев путем внесения в резонатор селективных фильтров удается получить генерацию только одной продольной моды. Такой режим работы лазера называется одночастотным. В этом случае реализуется максимальная монохрома-тичность излучения лазера.

Резонатор обеспечивает высокую направленность (малую расходимость) излучения, так как в нем заметно усиливаются лишь те волны, которые распространяются вдоль оси резонатора или под очень малыми углами к ней. Расходимость луча определяется соотношением: , где L – длина трубки;  – длина волны. Однако волновые свойства света не позволяют получить угол расхождения лучей, равный нулю. Явление дифракции света определяет нижний угловой пре­дел θ_мин для расхождения лучей ОКГ. Угол расхождения лучей не может быть меньше угла дифракции на круглом экране, имеющем диаметр D:

,

где D — диаметр зеркала в оптическом квантовом генера­торе. Реально получена расходимость 1–2 угловые минуты.

К роме очень высокой степени направленности гелий-неоновый лазер обеспечивает и очень высокую стабильность частоты генерации. Благо­даря высокой добротности резонатора спектральная ширина ге­нерируемого излучения оказывается существенно уже характер­ной для спонтанного излучения естественной ширины линии ато­ма неона. Именно поэтому лазерное излучение отличается высо­кой степенью временной и пространственной когерентности.

Ширина спектральной линии  атома неона определяет область частот, в которой может иметь место генерация света при инверсной заселенности. Из этой относительно широкой спектральной линии оптический резонатор вырезает гораздо более узкие линии, соответствующие собственным частотам резонатора (рис.7). Если усиление в неоне достаточно велико, то генерация может возникнуть на большом числе собственных частот резонатора, для которых усиление превышает потери света в газе и зеркалах (рассеяние и поглощение). Так как линии генерации в основном определяются собственными частотами оптического резонатора, стабильность частоты газового лазера определяется главным образом неподвижностью зеркал резонатора.

При работе гелий-неонового лазера в видимой области спектра (632,8 нм) желательно исключить излучение в инфракрасном диапазоне. С этой целью подбираются зеркала со специальной частотной зависимостью коэффициента отражения, благодаря которой осуществляется срыв генерации ИК-излучения. Другой метод подавления этого излучения состоит в изготовлении торцевых окон трубки из стекла, сильно поглощающего ИК-излучение.

С головы на ноги

Всегда ли вынужденное излучение непременно требует инверсной среды? Нет, и это было известно изобретателям лазера. Чарльз Таунс в нобелевской лекции особо отметил, что инверсия необходима лишь в том случае, если фазы квантовых волновых функций излучающих частиц совершенно случайны. Если же это не так, есть способы усилить электромагнитные волны и в отсутствие инверсии. О такой возможности долго не вспоминали, однако в 1980-х ей всерьез занялись теоретики. Если вынуждающее излучение одновременно возбуждает несколько когерентных колебаний с близкими частотами, они могут интерферировать друг с другом. Взяв под контроль эту интерференцию, можно выключить взаимодействие излучения с поглощающими атомами, но при этом сохранить вынужденное излучение возбужденных атомов. В таком случае излучение будет усиливаться и без инверсии населенностей.

Реальность этого эффекта впервые была доказана в 2000 году в экспериментах с атомарными парами. А совсем недавно физики из Англии и Швейцарии получили аналогичные результаты и на полупроводниковых нанокристаллах с тремя энергетическими уровнями. В этих опытах населенность нижнего уровня в четыре раза превышала общую населенность двух верхних.

1 Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона.

2 Находящиеся на возбужденном уровне атомы или молекулы могут независимо от наличия вынуждающего поля переходить на более низкий энергетический уровень, излучая фотон в произвольном направлении. Это явление называется спонтанным излучением. Оно присутствует в любой лазерной среде и затрудняет работу лазера, уменьшая заселенность верхнего рабочего уровня. В то же время оно выполняет и полезную функцию, являясь «затравкой» для формирования направленного пучка лазерного излучения.

3 Первый процесс приводит к поглощению света и ослаб­лению падающего пучка, второй — к увеличению интенсивности падающего пучка. Результирующее изменение интенсивности све­тового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобла­дает.

4 Первый газовый лазер был создан Джаваном, Беннетом и Эрриотом в 1961 г.